真空深井井點(diǎn)在深基降水中的應(yīng)用

李春林　李朋斌

摘要：真空深井井點(diǎn)降水的優(yōu)點(diǎn)是降水半徑大、降水深度較深、設(shè)備投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等。文章對(duì)真空深井井點(diǎn)在深基降水中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：真空深井井點(diǎn)；深基降水；輕型井點(diǎn)；深井井點(diǎn)；隧道施工 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU463 文章編號(hào)：1009-2374（2015）19-0052-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.025

1 井點(diǎn)降水技術(shù)的發(fā)展歷史

國(guó)外第一個(gè)有記錄的降水實(shí)例，是用在豎井中將水抽去，在倫敦伯明翰鐵路的基爾斯比（Kilsby）隧道的施工中，就是采用的豎井降水，這些沿線布置的豎井抽水總量為430m3/hr，這就是國(guó)外第一個(gè)有記錄的降水實(shí)例。隨著工業(yè)的發(fā)展，最初采用豎井，1896年在建造柏林地下鐵路時(shí)第一次采用深井降水，到了20世紀(jì)30年代采用雙閥式自沖井點(diǎn)，以后又實(shí)行配套化，在建造大壩時(shí)，已采用四～五級(jí)井點(diǎn)系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代，噴射井點(diǎn)參與到了降水的行列。

井點(diǎn)系統(tǒng)和深井相配合，用深井作為下臥承壓水層的降水減壓井，亦不乏其例。近年來(lái)，由于采用機(jī)械化連續(xù)作業(yè)等，常交叉采用井點(diǎn)系統(tǒng)、噴射井點(diǎn)和深井。

在我國(guó)解放后，隨著社會(huì)主義建設(shè)的發(fā)展，1951年進(jìn)行了井點(diǎn)系統(tǒng)的小型試驗(yàn)并獲成功。1952年首先應(yīng)用于實(shí)際工程，亦獲得成功。到了20世紀(jì)60年代發(fā)展了噴射井點(diǎn)取得了成功，并應(yīng)用于較深的土方工程中。20世紀(jì)70年代又相繼發(fā)展了水射泵和隔膜泵井點(diǎn)，另外在一些工程中用電滲降水也取得了成功。

2 真空深井井點(diǎn)的產(chǎn)生

表1

在1990年初寶鋼集團(tuán)承建的上海市地鐵徐家匯車站的工程中就采用了真空深井井點(diǎn)降水，并獲得了良好的效果和實(shí)用專利。2005年承擔(dān)的昆山某工程，由于深基坑處在廠房中間，廠房基坑的挖土深度在9.10m，寬度在25.75～28.0m之間，這樣的深度及寬度在廠房?jī)?nèi)采用放坡的挖土方案是不可能的（基坑的基礎(chǔ)采用SMW工法樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的）。目前，國(guó)內(nèi)井點(diǎn)降水類別及范圍如表1所示。

從表1可以看出，采用單一的降水方法是有一定的局限性，采用多級(jí)的降水方法又滿足不了施工的要求。對(duì)于滲透系數(shù)在1×10-8m/s以下的土壤降水顯然沒(méi)有什么好辦法。例如：1985年在寧波經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè)中，管溝的施工中其挖土深度僅為5m，采用普通輕型井點(diǎn)降水，在降水的過(guò)程中出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象；1989～1990年在天津某鋼廠的建設(shè)中，采用噴射井點(diǎn)降水，同樣也出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象，最后只能采用深井井點(diǎn)降水，其降水周期長(zhǎng)達(dá)80余天，方見(jiàn)效果。

3 工廠的土質(zhì)主要物理特性和指標(biāo)（地質(zhì)資料）

表2

工程地質(zhì)亞層 層底

標(biāo)高 層厚 重度（kN/m3） 摩擦角φ（°） 內(nèi)聚力c（kPa） 滲透系數(shù)

k20

層號(hào) 名稱 10-6cm/s

① 填土 -1.3 0.7 18.3 7.8 20

② 粉質(zhì)黏土 -2.3 1 18.5 9 21

③ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 -6.6 4.3 18.3 8.3 16.4

④1 黏土 -10.6 4 19.7 9.6 43.7 5.793

④2 粉質(zhì)黏土 -13.6 3 18.4 10.1 27.6 2.795

④3 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 -15.1 1.5 17.8 11.1 13.9 2.345

⑤ 粉十夾粉砂 -19.1 4 18.3 16.7 11.5 4.295

⑥ 粉十夾粉質(zhì)黏土 -21.1 2 18.6 12.8 12.8 1.397

⑦ 粉十 -31.1 10 18.5 16.2 9.9 4.328

擬建筑區(qū)靜止水位在距地表1.00～1.20m，其相應(yīng)的吳淞高程為2.16～2.36m。

由表2可以看出，擬建工廠30m以內(nèi)均為軟土分布。

第③軟土層屬淺海相沉積，含黑色腐植質(zhì)，部分夾薄層粉砂，軟塑-流塑，低滲透，高靈敏度，屬高壓縮土。

第④1、④2層土，不存在任何局部薄粉細(xì)砂層，排滲水性能更弱，按工程開(kāi)挖空間土質(zhì)的下部均為淤泥質(zhì)土，其厚度大，且分布普遍、具有高含水量、大孔隙比、低滲透性的特點(diǎn)，并且土質(zhì)易膨脹、流變，抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間而降低，第④1、④2層卸荷時(shí)極易產(chǎn)生滑動(dòng)。

根據(jù)以往的降水經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)井點(diǎn)的特性開(kāi)發(fā)出真空深井井點(diǎn)。

4 真空深井井點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理

真空深井井點(diǎn)是輕型井點(diǎn)和深井井點(diǎn)的結(jié)合產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。昆山某工程深基坑采用的是鋼管總長(zhǎng)18m，Φ406×10鋼管底部用鋼板密封，上部用鋼蓋板密封，井點(diǎn)管的下部設(shè)有過(guò)濾孔，濾頭的外部由濾網(wǎng)包裹，管內(nèi)設(shè)有一臺(tái)潛水泵，排水管與蓋板上的出水管相連。

圖1 圖2

在井點(diǎn)管周圍填滿濾料，深井系統(tǒng)與真空系統(tǒng)相連接，開(kāi)啟真空泵抽真空，并定時(shí)進(jìn)行抽水。

5 降水效果

Q=πdLk1/2/15

式中：

Q——單根井點(diǎn)最大出水量，m3/s

d——過(guò)濾器的直徑，m

L——過(guò)濾器的長(zhǎng)度，m

k——滲透系數(shù)，m/s

井點(diǎn)管長(zhǎng)18m，在濾頭部位為灰色黏土，取其濾頭長(zhǎng)度為6m，滲透系數(shù)為2.345×10-8m/s，過(guò)濾器直徑d=0.406m，計(jì)算得出：?jiǎn)胃c(diǎn)的最大出水量是6.8m3/d。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間抽水的記錄發(fā)現(xiàn)實(shí)際出水量，開(kāi)始每日3.2m3，以后逐漸降低為每日1.0m3。其日出水量和時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

在開(kāi)挖前對(duì)基坑的降水效果進(jìn)行了驗(yàn)算，根據(jù)潛水井水位高度計(jì)算公式來(lái)對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)算：endprint

Z2=H2-Q[lgR-1/n×lgr1·r2·r3……rn]/1.366×k

式中：

Z——任意兩點(diǎn)的水位高度，m

H——含水層厚度，m

k——滲透系數(shù)，m/d

Q——井點(diǎn)的流量，m3/d

R——井點(diǎn)影響半徑，m

r1、r2——任意點(diǎn)距兩井的距離，m

首先計(jì)算兩點(diǎn)的理論高度，示意見(jiàn)圖3：

圖3

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)井的影響接近于0.95H的地方，可作為井點(diǎn)的影響半徑。故此：

R=0.95H=0.95×含水層厚度

含水層厚度的計(jì)算，由于土的滲透系數(shù)很小，深井可作為完全井計(jì)算。

H=井點(diǎn)的深度-地下水位距地表的厚度

地下水位距地表為1.00～1.20m，故可取平均值，為1.10m。

所以：

H=（18+1）-1.10=17.1m

R=0.95H=16.25m

由前式可知：

Q=6.8m3/d=7.87×10-5m3/s

k?。?.345×10-8m/s+4.295×10-8m/s）/2=3.32×10-8m/s=2.86848×10-3m/d。

兩井的距離為17m，在整個(gè)工程中共設(shè)10口井，取其中任意兩點(diǎn)r1=r2=a/2=8.5m。

代入公式計(jì)算得出Z=6.87m。

再取兩井間最遠(yuǎn)距離，r1=r2=b=8.9m，計(jì)算得出Z=8.14m，這樣理論上得知降水的深度分別為11.13m及9.86m。

抽水后又根據(jù)實(shí)際出水量進(jìn)行了驗(yàn)算，得出上述兩點(diǎn)的降水深度為10.23m及9.1m。

在開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算值均偏大，降水效果低的原因很多，主要是：（1）主體結(jié)構(gòu)由圍護(hù)結(jié)構(gòu)阻擋地下水的進(jìn)入；（2）施工過(guò)程中的施工質(zhì)量；（3）現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)性事件，如停電、停水等。

盡管如此，在整個(gè)深基坑的土方施工中，真空深井井點(diǎn)的降水效果還是達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

井點(diǎn)降水的特點(diǎn)有：降低地下水位；增加土的抗剪應(yīng)力；利用降水時(shí)的真空效果增加地基的承載力。

真空深井井點(diǎn)降水的優(yōu)點(diǎn)有：降水半徑大、降水深度較深、設(shè)備投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等；缺點(diǎn)有：施工難度較大、安裝復(fù)雜、材料耗費(fèi)較大、井點(diǎn)回收困難等。

真空深井井點(diǎn)的改進(jìn)措施：根據(jù)其安裝復(fù)雜的缺點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行一些改進(jìn)，如將井管改為無(wú)砂管等。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫更生，鄭大同.軟土地基與地下工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1984.

[2] 李伯寧.中國(guó)土木工程手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989.

作者簡(jiǎn)介：李春林（1962-），男，山東淄博人，上海寶冶集團(tuán)有限公司工程師，研究方向：施工技術(shù)；李朋斌（1974-），男，陜西渭南人，上海寶冶集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師，研究方向：施工技術(shù)。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint